僅在美國(guó)，每年就有大約 100,000 起交通事故是由困倦或疲勞等人為因素造成的。汽車生物傳感器可用于通過(guò)提供健康問(wèn)題的早期檢測(cè)、阻止疲勞相關(guān)的事故以及評(píng)估壓力和情緒狀態(tài)來(lái)幫助保持安全駕駛?，F(xiàn)在已經(jīng)探索了各種方法來(lái)測(cè)量汽車環(huán)境中疲勞和警覺(jué)性的生理標(biāo)志物，包括電生理學(xué)、慣性行為相關(guān)和視覺(jué)等方式。然而，這些方法難以在動(dòng)力學(xué)環(huán)境中可靠且不引人注目地捕獲生理標(biāo)志物，例如在發(fā)生大量振動(dòng)的汽車或航空應(yīng)用中。電極已被整合到方向盤表面，以獲得注意力不集中的電生理標(biāo)志物，但該方法需要穩(wěn)定的皮膚接觸，這很難實(shí)現(xiàn)。或者，在某些情況下使用攝像頭的監(jiān)控方法很有前途，但它們依賴于環(huán)境照明，會(huì)產(chǎn)生潛在的隱私問(wèn)題。
無(wú)線傳感器有可能在車輛環(huán)境中提供不顯眼的疲勞和注意力檢測(cè)。它們對(duì)環(huán)境噪聲（例如可變的照明條件）不太敏感，并且可以保護(hù)用戶隱私。然而，由于運(yùn)動(dòng)偽影以及封閉機(jī)艙環(huán)境中多徑反射產(chǎn)生的信號(hào)干擾，在包括振動(dòng)、隨機(jī)身體運(yùn)動(dòng)和多名乘客在內(nèi)的動(dòng)力學(xué)環(huán)境中獲取高質(zhì)量的生理參數(shù)仍然比較困難。近日，新加坡國(guó)立大學(xué)何思遠(yuǎn)教授與清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院田曦團(tuán)隊(duì)合作報(bào)道了一種超材料生物傳感器。它可以在動(dòng)力學(xué)環(huán)境中捕獲心肺信號(hào)，而無(wú)需與身體直接接觸。該生物傳感器使用數(shù)字刺繡制成，可以與安全帶集成，并可以通過(guò)無(wú)線信號(hào)與身體之間的近場(chǎng)交互來(lái)檢測(cè)生理運(yùn)動(dòng)。

使用導(dǎo)電線用計(jì)算機(jī)輔助數(shù)字刺繡制造生物傳感器，這種柔軟的紡織傳感器，可以貼合身體，適應(yīng)用戶活動(dòng)并與現(xiàn)有安全帶集成。生物傳感器可以連續(xù)監(jiān)測(cè)安全帶上各個(gè)位置的心率 （HR） 和呼吸，包括肩帶和腰帶，并且對(duì)不同的服裝材料和厚度都可以保持性能。在航空公司機(jī)艙模擬器中測(cè)試了刺繡超材料系統(tǒng)對(duì)一系列人體活動(dòng)的檢測(cè)能力，并驗(yàn)證了其睡眠-覺(jué)醒階段鑒別的能力。生物傳感器還可以可靠地提取呼吸和心跳信號(hào)，并在具有挑戰(zhàn)性的動(dòng)力學(xué)環(huán)境中保持準(zhǔn)確性。

生物傳感器的設(shè)計(jì)：為了克服相對(duì)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的信號(hào)減弱現(xiàn)象，利用與身體機(jī)械耦合的線束作為基材，集成一種超材料，該超材料可以通過(guò)無(wú)線信號(hào)與身體之間的近場(chǎng)交互實(shí)現(xiàn)對(duì)生理運(yùn)動(dòng)的高度靈敏檢測(cè)。選擇導(dǎo)電線的數(shù)字刺繡作為制造策略，因?yàn)樗軌蛟趲缀跞魏维F(xiàn)有的織物基材上精確產(chǎn)生復(fù)雜的周期性圖案。這種超材料通過(guò)低填充因子并支持小波長(zhǎng)表面波的傳，由空心梳狀形狀組成，該結(jié)構(gòu)將無(wú)線信號(hào)傳播為欺騙表面等離子體 （SSP） 極化激元，其波長(zhǎng)壓縮到自由空間波長(zhǎng)的四分之一左右。這些高度受限的近場(chǎng)傳感模式提供了針對(duì)潛在干擾的魯棒性，例如駕駛員姿勢(shì)變化和多乘客雜波。色散關(guān)系分析用于設(shè)計(jì)晶胞的幾何參數(shù)，以獲得 2.4–2.5 GHz 工作頻帶內(nèi)所需的表面模式特性。當(dāng)填充因子 q 從 8 mm 降低到 1 mm 時(shí)，2.4 GHz 時(shí)的波數(shù)β從 0.48π 增加到 0.65π rad cm^?1，表示更強(qiáng)的場(chǎng)限制和波長(zhǎng)壓縮。此外，可以調(diào)整填充因子以支持 0.49π 至 0.59π rad cm^?1 的表面模式在不同的紡織基材上應(yīng)用。
為了實(shí)現(xiàn)從超材料結(jié)構(gòu)到 50 Ω共面波導(dǎo) （CPW） 的高效波矢轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)了一個(gè)與傳統(tǒng)微波連接器兼容的過(guò)渡截面。由梯度波紋空心帶和擴(kuò)口接地組成的阻抗匹配過(guò)渡，它將傳輸效率提高了 4 dB 以上，并降低了超材料波導(dǎo)和 CPW 之間的轉(zhuǎn)換損耗。另一方面，超材料生物傳感器的傳輸損耗由紡織品電導(dǎo)率決定，這可以通過(guò)填充因子的變化來(lái)適應(yīng)。為了確保與刺繡生產(chǎn)的兼容性并保持亞波長(zhǎng)壓縮，選擇 q = 2 mm 以將傳輸損耗保持在 0.25 dB cm?1。超材料生物傳感器在計(jì)算體模型上的全波模擬說(shuō)明了生物傳感器表面的波長(zhǎng)壓縮和能量限制。這些特性可以增強(qiáng)與身體的無(wú)線交互，利用心肺活動(dòng)引起的組織特性變化來(lái)更有效地調(diào)節(jié)傳播階段，尤其是當(dāng)生物傳感器集成到位于身體前方的安全帶中時(shí)。傳輸信號(hào)以表面波的形式沿超材料結(jié)構(gòu)傳播，并將組織邊界和介電特性的變化轉(zhuǎn)化為相位調(diào)制。

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